關于Velodyne LiDAR的時間同步

時間不同步的危害

如果一輛無人車上，裝了很多傳感器，如果各個傳感器的時間是孤立的，比如傳感器甲在自身時鐘的T0時刻，發(fā)現(xiàn)有個目標出現(xiàn)；于此同時，傳感器乙也看到這個目標，但傳感器乙會根據(jù)自身時鐘，認為當前是T1時刻，于是，當數(shù)據(jù)融合時，系統(tǒng)會錯亂，到底是哪個時刻，出現(xiàn)的目標？如果對兩個傳感器的時鐘都加以采信，如果這個目標是個移動的目標，那么， 系統(tǒng)會看到兩個目標，也就是會出現(xiàn)“鬼影”。

時間同步的解決辦法

毫秒級同步： 多采用NTP服務的方式，一般服務器和電腦就是這么同步的。

納秒級同步：多采用統(tǒng)一時鐘源的方式，而統(tǒng)一時鐘源中，又多用GNSS時間對齊。（或者可以直接用GNSS接收機對齊時間）

如果你的電腦，或者你的智能手表，想獲取當前準確的時間，只要對公網(wǎng)上的某個NTP服務器，發(fā)出一個基于UDP的ntp request，遠程的NTP服務器，就能給你返回一個含時間reply，這個時間經(jīng)過客戶端對網(wǎng)絡時延的評估修正，被計算出來，它就是你所需要的時間。這適用于對時間精度不那么敏感的用戶。

如果你需要非常精確的同步（比如無人車，毫秒級的時間失步將是災難性的），那么NTP顯然不能滿足需求，這時候，你就需要考慮采用統(tǒng)一時鐘源的方式。

統(tǒng)一的時鐘源設備

統(tǒng)一的時鐘源設備在通訊／機場和電力行業(yè)中，應用非常之廣泛，特別是光傳輸和4G基站，她們對時間同步的要求絲毫不亞于無人車傳感器，甚至有過之而無不及，因此，我們可以參考下她們怎么做的。

她們一般采用統(tǒng)一時鐘源設備（一般幾U高，安裝在機架上），該設備由GPS / COMPASS / GLONASS / GALILEO提供授時。

（時鐘同步設備，盜個圖，如果有人看出這是什么牌子的設備，那么該圖版權屬該公司所有）

她的特點：內部有一個非常精準的主時鐘（晶體振蕩器），并且會用GNSS時鐘信號不停的“馴服”該主時鐘。在馴服晶振過程中能夠不斷“學習”晶振的運行特性，并將這些參數(shù)存入板載存儲器中。當外部時間基準出現(xiàn)異?；虿豢捎脮r，它能自動切換到內部守時狀態(tài)，并依據(jù)板載存儲器中的參數(shù)對晶體振蕩器特性進行補償，使守時電路繼續(xù)提供高可靠性的時間信息輸出，同時避免了因晶體振蕩器老化造成的頻偏對守時指標的影響。

目前絕大部分的無人車團隊，相比已經(jīng)成熟的通訊和電力行業(yè)而言，多采用GNSS接收機或慣導直接輸出的PPS和GPRMC／GPGGA信號來修正各個傳感器的時間，特別是激光雷達的時間，這會有個問題，就是使得GNSS信號不好的時候，時間有反復跳變，半個小時可能有上百毫秒之巨。（原因是傳感器本身的時間晶振無法做到很精確的內部守時，當然部分接收機也有類似時時鐘同步設備的功能，丟失信號后，也會用內部系統(tǒng)模擬輸出，但精度上，對比幾十萬一臺的專業(yè)時鐘設備，還是有不小的差距）

PPS和GPRMC

我們看一個典型的滿足Velodyne要求的時鐘信號：

第一條線叫PPS信號(Pulse Per Second), 也就是每秒一個脈沖

PPS信號的呈現(xiàn)五花八門，有上升沿有效的，有下降沿有效的，有3.3V的5V的，也有-3.3V和-5V的，占空比多大的都有。

Velodyne激光雷達對PPS的要求：默認低電平，拉高高電平時，上升沿有效，+3.3v或+5v均可，脈寬要控制在10微秒-200毫秒之間，也就是占空比要在80%以上；

第二條線是輸出GPRMC信號，這條線，要滿足RS232電平標準。（如果你的設備輸出UART電平，可以用一塊MX232或者7404芯片轉一下）。

GPRMC信號要跟在PPS信號后面，也是一秒一個，很多GNSS默認是0.2秒一個，要注意修改，另外，GPRMC信號的末尾離下一個PPS的上升沿，至少要隔開300毫秒。我們一般這樣建議，一個PPS上升沿后，過300毫秒，開始輸出GPRMC信號，這個是比較理想的。

不知道你注意到?jīng)]有，GPRMC的NMEA語句，僅僅精確到秒（以pre-2.3版本為例）

$GPRMC,123519,A,4807.038,N,01131.000,E,022.4,084.4,230394,003.1,W*6A

所以

VelodyneLiDAR是怎么同步時間的

激光雷達內部有兩個時鐘：（Timer 1和Timer II）

Timer I：我們稱之為微秒定時器，它的范圍是0-999,999微秒

Timer II: 我們稱之為整秒定時器，它的范圍是0-3599秒

在未收到任何外來同步信號的時候，這兩個timer正常工作，為激光雷達提供系統(tǒng)時間。當PPS信號到來之后，若該PPS是合法有效的PPS（即PPS被鎖定），那么，PPS上升沿，會去置零微秒定時器。當合法有效的GPRMC信號到來的時候，系統(tǒng)抽取GPRMC信號中的時間，換算成整秒，并將Timer II的時間重新賦值，賦值成GPRMC中的整秒時間。

以上就是激光雷達的時間同步過程。你發(fā)現(xiàn)沒有：激光雷達不能表達整小時以上的時間，也就是說，激光雷達只知道現(xiàn)在是幾分幾秒幾毫秒幾微秒，但是不知道現(xiàn)在是幾月幾號幾點鐘。所以，激光雷達被授予的，不是標準的UTC時間戳。我們稱之為TOH時間（Top of Hour）

數(shù)據(jù)包中的展現(xiàn)

以VLP-16為例，如果你用tcpdump，那么數(shù)據(jù)包中有四個時間戳，可不能搞混淆了：

時間戳1 - 數(shù)據(jù)包接收時間戳

這是接收系統(tǒng)（不是激光雷達）的時間戳，對于激光雷達而言，是然并卵的存在。

時間戳2 - 位置數(shù)據(jù)包中NMEA語句，（UDP 8308, 如果你沒有改端口的話）

這個是最近一個收到的GPRMC下發(fā)的時間，你可以用來參考是否收到GPRMC信號。

時間戳3 - 還是位置數(shù)據(jù)包中的時間戳：

這個就是激光雷達自己的TOH時間，不過這個TOH時間出現(xiàn)在這里，僅僅表達的是當前位置數(shù)據(jù)包組包時的時間。

最有用的，是時間戳4 - 主數(shù)據(jù)包時間戳：

它直接參與點云XYZ坐標的計算，指代的第一個Block第一束激光的發(fā)射時，激光雷達自身的TOH時間，其他激光發(fā)射時間，要依據(jù)手冊中的時序表，添加固定的offset。（還記得TOH時間是怎么被同步的么？）

控制頁面中關于時間同步的一些按鈕

不是每個PPS都認為是有效的脈沖，那么，用什么標準判定呢，就是這個PPS Qualifier

首先，是否要求GNSS接收機指示有效，因為在NMEA語句中，有一個字段是指示GNSS是否有效的，通常是等待衛(wèi)星的鎖定。如果選擇ON，那么，GNSS必須確定有效，才能鎖定PPS，如果選擇OFF，那么，無論是否有效，PPS都會被鎖定。

就是這個字段，A表示有效，V表示無效，通常V是表示衛(wèi)星未鎖定。

其次，PPS是否要求延時lock，意思是，收到了多少個電平合格的PPS后，才認為PPS被lock？ 默認OFF，就使用2個，也就是第三個有效的pps后，開始鎖定。如果你選擇ON，你可以自己選擇，從0-65535個都行。不過沒人會選那么大的值，一般3-5個之后就行。

GPS Qualifier表示的是GPRMC信號是否有效，如果選擇ON，則那個NMEA語句中，“V/A”字段會起效，只有當字段為A的時候，整秒定時器才會去跟隨GPRMC指示時間。如果選擇OFF，那么，無論如何都會去跟，并不關心那個“V/A”字段。

Python抽取時間進行分析

如何從pcap數(shù)據(jù)包中抽取時間，并加以一定的分析，Python是個好工具，墻裂推薦之～

這里不再贅述，常用的幾個庫socket，dpkg，matplotlib，numpy，pandas等，節(jié)選一點供簡單參考：

舉個例子，如果你想對比是不是發(fā)生了時間跳變的現(xiàn)象，只需要把數(shù)據(jù)包中相應的時間戳拉出來，做個對比，就一目了然：

好啦，就講這么多，希望對大家平常的開發(fā)工作有所幫助。